摘 要：在無線通信系統(tǒng)中，對優(yōu)質(zhì)、高效寬帶服務(wù)的要求不斷增加?？諘r編碼(STC)的目的是利用多輸入多輸出(MIMO)天線系統(tǒng)，提高傳輸質(zhì)量，降低誤碼率，并獲得較高的編碼增益和分集增益，提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率。較詳細(xì)地介紹了MIMO無線通信中的三種空時編碼方案：分層空時碼、空時格形碼、空時分組碼，對這三種方案進(jìn)行了性能分析以及比較。

關(guān)鍵詞：空時編碼； 多輸入多輸出； 分層空時碼； 空時格形碼； 空時分組碼

中圖分類號：TN929.22-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004-373X(2011)19-0031-03

MIMO Space-time Coding Technology in Wireless Communication System

WANG Guo-zhen， LIU Yu

(School of Communication Engineering， Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract： In wireless communication system， the requirements on high quality and efficient broadband services are increasing. The space-time codes (STC) were designed to improve transmission quality， reduce BER， obtain higher encoding gain and diversity gain and improve the system capacity and spectrum efficiency using the multiple-input multiple-output (MIMO) antenna system. Three kinds of space-time coding schemes (layered space-time code， space-time grid form code， space-time block code) in the multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication system are introduced. The perfor-mance of these three kinds of schemes are analyzed and compared.

Keywords： STC; multiple input and multiple output; layered space-time code; space-time grid form code; space-time block code

0 引 言

隨著全球移動通信用戶的不斷增加，為了滿足無線通信信道可靠并且高速的傳輸需求，已經(jīng)形成了多種高效的調(diào)制和編碼方案。然而，無線信道易遭受到各種時變特性的衰落，例如：多徑衰落、干擾和噪聲等，分集技術(shù)是對抗無線信道衰落的一種有效方法［1］?？諘r編碼技術(shù)則是利用多發(fā)射和多接收天線，將發(fā)射分集和接收分集相結(jié)合，在通信的發(fā)射端與接收端建立起多條鏈路。它可以有效地抑制干擾，提高傳輸質(zhì)量，降低誤碼率，并獲得較高的編碼增益和分集增益。簡而言之，空時編碼技術(shù)就是將編碼、調(diào)制、發(fā)送分集和接收分集有機(jī)地結(jié)合在一起，利用無線信道的多徑傳播特征，有效地補(bǔ)償信道衰減，增加系統(tǒng)容量，抑制噪聲和干擾的新的信道編碼技術(shù)。它充分有效地提高了多徑衰落信道的傳輸性能 ［2］。

本文根據(jù)空時編碼的設(shè)計目標(biāo)，分析討論了三種空時編碼方案，對其進(jìn)行了性能分析以及比較。

1 多輸入多輸出系統(tǒng)

所謂MIMO系統(tǒng)就是在無線通信系統(tǒng)的接收端和發(fā)射端采用多根天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MIMO技術(shù)有效地利用隨機(jī)衰落和多徑傳播來獲得高傳輸速率和質(zhì)量，它的優(yōu)勢可以在散射物豐富的環(huán)境中得到充分的體現(xiàn)。

如圖1所示，信源以二進(jìn)制數(shù)字信號的形式進(jìn)入一個空時編碼模塊，通過映射復(fù)調(diào)制和編碼，被映射成為幾個單獨的符號流，通過不同的天線將每路符號流發(fā)射出去。符號流的獨立性、冗余性取決于映射方式或者信道編碼的方式，可以根據(jù)要求的性能進(jìn)行設(shè)計。MIMO系統(tǒng)的實質(zhì)就是為無線通信系統(tǒng)提供一定的空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用增益可以大大地提高系統(tǒng)的傳輸速率，而空間分集增益則是提高傳輸?shù)目煽啃裕档拖到y(tǒng)的誤碼率。將空間中的多根天線在時間域和空間域結(jié)合起來處理，是實現(xiàn)空間復(fù)用增益和空間分集增益的有效方法［3］。

圖1 MIMO系統(tǒng)原理框圖MIMO系統(tǒng)有效地提高了無線通信系統(tǒng)的傳輸性能，它充分有效地利用了信號的所有空時頻域特性，主要有以下特點：

(1) 空域和時域聯(lián)合起來進(jìn)行信號處理，大大地提高了系統(tǒng)的傳輸性能。

(2) 利用或減去無線信道中的多徑衰落，將多徑這一物理現(xiàn)象由有害變?yōu)橛杏谩?/p>

(3) 在不增加帶寬的情況下，可以獲得額外的通信質(zhì)量或者容量的改善，提高頻譜利用率。

空時編碼是一種應(yīng)用于MIMO無線通信系統(tǒng)的編碼技術(shù)，該編碼技術(shù)是在多根天線和各個時間周期的發(fā)射信號之間產(chǎn)生空域和時域的相關(guān)性，使接收機(jī)克服MIMO信道衰落和減少發(fā)射誤碼，從而實現(xiàn)MIMO信道無線系統(tǒng)容量的顯著增加［4-5］。下面介紹空時編碼技術(shù)的三種編碼方案。

2 分層空時編碼

分層空時碼(Layered Space-Time Code，LST)最初是由貝爾實驗室的Foschini提出的，因而被稱為BLAST(Bell Labs Layered Space-Time Code)，它是一種同時在時間維度和空間維度上進(jìn)行編碼的技術(shù)，使得編碼端的復(fù)雜度隨天線數(shù)目的增加而線性增長。

分層空時碼的基本思想是將高速業(yè)務(wù)分為若干低速業(yè)務(wù)，通過普通的并行信道編碼器編碼后，再進(jìn)行分層的空時編碼。調(diào)制后用多根天線發(fā)送，實現(xiàn)發(fā)送分集。它的發(fā)送模型如圖2所示。

圖2 分層空時編碼發(fā)送模型在接收端，用多根天線接收，信道參數(shù)通過信道估計獲得，分層判決反饋干擾的抵消由線性判決反饋均衡器實現(xiàn)，然后進(jìn)行分層空時譯碼，由單個信道譯碼器完成信道譯碼，接收模型如圖3所示［6］。

圖3 分層空時編碼接收模型分層空時碼根據(jù)映射方式的不同可以分為對角分層空時碼(DLST)、垂直分層空時碼(VLST)和水平分層空時碼(HLST)。

對角分層碼具有較好的空時特性及層次結(jié)構(gòu)，但是有傳輸冗余，存在頻譜利用率損耗。垂直分層空時碼和水平分層空時碼的空時特性及層次結(jié)構(gòu)較對角分層空時編碼差，但是沒有傳輸冗余，其中，垂直分層空時碼特性及層次結(jié)構(gòu)比水平分層空時碼要好，水平分層空時碼不存在子數(shù)據(jù)流之間的編碼，空時特性最差，因此，在實際中，垂直分層空時碼V-BLAST的應(yīng)用最為廣泛［7］。

3 空時格形編碼

空時格形碼(STTC)最初是由ATT實驗室的V.Tarokh等人提出的，它在不犧牲帶寬的情況下不僅可以提供盡可能大的分集增益，還可以提供較高的編碼增益。空時格碼STTC編譯碼的基本原理如圖4所示。

圖4 空時網(wǎng)格碼的實現(xiàn)框圖待發(fā)送的信息比特流經(jīng)過格形編碼轉(zhuǎn)化成可以同步發(fā)射的矢量碼元。格形編碼一般有QPSK-TCM，8PSK-TCM，16QAM-TCM等機(jī)制。接收機(jī)對STTC的解碼也有多種方式，通常采用Viterbi-MMSE算法來譯碼。

圖5為基于QPSK調(diào)制的4狀態(tài)STTC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖5 基于QPSK調(diào)制的4狀態(tài)STTC 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖編碼器有4個狀態(tài)，每接收2比特輸入信息后，編碼器從一個狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的碼字。例如編碼器處于零狀態(tài)時，當(dāng)輸入的2比特信息分別為00，01，10，11時，對應(yīng)的編碼輸出的星座點對是00，01，02，03。其中第一個數(shù)字是天線1發(fā)射的信號，第二個數(shù)字則是天線2在同一時刻發(fā)射的信號［8］。

STTC有以下很難克服的缺點：一是頻帶利用率不隨天線個數(shù)的增加而增加；二是譯碼復(fù)雜度隨著分集增益r和頻帶利用率b指數(shù)增長，即使r，b都比較小，譯碼復(fù)雜度也會很大；三是當(dāng)狀態(tài)數(shù)比較大時，設(shè)計STTC的好碼字也有一定的難度。因此，STTC在實際中的應(yīng)用受到了一定的限制。如何用更好的方法解決這三個問題則是今后空時編碼技術(shù)的重要研究方向。

4 空時分組編碼

空時分組碼是一種能夠提供滿分集增益，具有非常低的編碼和譯碼復(fù)雜度的多天線發(fā)射系統(tǒng)。Alamouti提出的兩根發(fā)射天線的空時分組碼方案可以提供完全發(fā)射分集增益，而且譯碼時只需要在接收端進(jìn)行簡單的線性處理，簡化了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。

Alamouti空時分組碼編碼器的原理框圖如圖6所示。在第一個時隙將復(fù)碼元信號s1和s2分別從兩個天線上同時發(fā)送；在第二個時隙，天線1和天線2分別同時發(fā)送信號-s*2和s*1(“*”表示求共軛)。

圖6 Alamouti空時分組碼編碼器的原理框圖STBC譯碼是利用其正交性，采用最大似然算法實現(xiàn)的。與最大比合并(MRRC)相比，STBC能得到相同的分集增益且具有很低的譯碼復(fù)雜度，易于實現(xiàn)。這種兩天線方案可以被擴(kuò)展到任意數(shù)目天線的情況使用。假設(shè)收端采用一根接收天線，Alamouti方案接收機(jī)的原理框圖如圖7所示［9］。

圖7 Alamouti方案的接收機(jī)5 性能分析

根據(jù)以上對三種空時編碼技術(shù)的分析，將其性能進(jìn)行比較，總結(jié)如下：

分層空時碼(BLAST)方案直接采用分解復(fù)用實現(xiàn)編碼，每個天線發(fā)送的都是完全獨立的調(diào)制信號，且以相同的載波發(fā)射。這種方法將無線信道多徑效應(yīng)產(chǎn)生的獨立空間衰落全部用來提高數(shù)據(jù)率。BLAST以分集增益為代價換取高的頻帶利用率，適用于多徑較為豐富的室內(nèi)傳輸環(huán)境。

空時網(wǎng)格碼(STTC)以頻帶利用率為代價來換取大益，是分集增益和編碼增益的折衷，是編碼、調(diào)制的聯(lián)合優(yōu)化，數(shù)據(jù)率的提高呈指數(shù)增長。

空時分組碼(STBC)也是以頻帶利用率為代價來換取最大的分集增益，特點是譯碼算法是線性運(yùn)算，比較簡單，但頻譜利用率較低。表1對上述幾種常用的空時碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單比較。

6 結(jié) 論

空時編碼作為一種把編碼、調(diào)制和空間分集結(jié)合起來的先進(jìn)技術(shù)，是3G/4G技術(shù)中的一個重要部分，可見其在下一代移動通信技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了MIMO系統(tǒng)中常用的三種空時編碼技術(shù)方案，將這三種方案做了較直觀的比較，以便對空時編碼技術(shù)進(jìn)行有針對性的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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